摘要:為了解決 CS400C 系列的渦輪流量計無法滿足稠油生產井的產液剖面測井需要這一問題, 參考 DDL 系列的渦輪流量計的基礎上開發研制了用于CS400C 測井系統渦輪儀器, 成功解決了稠油測井的問題。 文章介紹新研制的稠油流量計的工作原理、信號處理和數據通訊電路, 并對設計電路進行了分析。 實際應用表明,**新型儀器工作可靠、誤碼率低、滿足了測井需要。

0 、引言：
  CS400C 系統是美國康普樂公司生產的生產測井系統, 由于信號傳輸方式不同 , 無法與國內常用的DDL 系列的渦輪流量計進行配接 。 由于設計問題 ,CS400C 系列的渦輪儀器設計不適合西部油田稠油生產井的產液剖面測井 ,測井成功率不到 20 %。為了解決稠油產出井的測井生產需要 , 拓展 CS400C 系統儀器適用范圍 ,我們參照 DDL 系列的渦輪流量計原理研制了適用于 CS400C 測井系統的稠油產出井渦輪流量計 ,成功實現了系統配接, 經以后的測井生產驗證, 提高了稠油產出井的測井成功率 。

1、研制思路：
  在渦輪的設計上 ,CS400C 系列的渦輪葉片呈“X”形 ,葉片太稠密, 并且輪軸平面與底座之間只有 0 .5mm 的間隙 , 在稠油井的測井中經常造成粘連卡堵現象 ,這是造成測井成功率低的主要原因 。所以在新儀器的設計中采用了DDL 系列的“S”形渦輪總成 。渦輪流量計的工作原理都基本相同, 都是把經過管子截面的流體線性運動變成渦輪的旋轉運動 。所以與當流體軸向流經變送器時, 流體的能量作用在葉輪的螺旋形葉片上 ,驅使葉輪旋轉 。葉輪軸上的磁鍵帶動光電傳感器中的蝶形遮光片旋轉, 使渦輪轉速能被光電管檢測出來 。但是在信號傳輸方式上, CS400C 與 DDL 系統有很大的差異 ,DDL 系統數據采集的是渦輪轉動的脈沖數 ,CS400C 系統數據采集的是渦輪轉動周期量。所以我們在改用“S”形渦輪流量傳感器設計的基礎上,重新設計了渦輪流量信號的采集、處理及通訊電路 。

2、儀器工作及通訊原理：
  重新設計的渦輪流量計采用了 S 型渦輪, 其材質為鋁合金,表面噴涂不粘油材料。渦輪流量計原理框圖如圖 1 所示。渦輪的傳感器部分為光電總成 。光電總成的輸出經過施密特觸發器和信號處理電路的處理后變為標志轉速的脈沖和標志方向的電平 。流量計光學部分傳感器的遮光板是磁性的, 在渦輪軸上也有一個磁鐵 。當渦輪轉動時,由于磁場作用的結果 ,遮光板也隨之轉動 ,于是固定在兩個不同位置的光電二極管相繼導通或截止,A 、B 兩點出現了相差大約 90°的方波 ,并且渦輪每轉動一圈,A 、B 兩點的方波變化兩個周期 。此信號經施密特觸發器整形 、信號處理后送到通訊板[ 1]。

圖 1 　渦輪流量計原理框圖
  儀器通訊板主要完成數據的采集處理和接收遙測的尋址地址 、命令并響應地址發送測量數據 。CS400C系統基本數據傳輸速率為 4 800 b/s 的 11 位串行不歸零碼 , 即1個起始位 , 8個數據位 , 1個偶校驗位和1個停止位 。地址和命令在 25V 的儀器總線上傳送, 對于數字 1 表示為 30 V 電平,脈沖幅度為 5 V 。儀器的數據字也在儀器總線上傳送, 對于數字 1 表示為 20 m A的電流增加 。儀器工作時, 遙測短節接收來自地面儀器的 11 位串行地址字和 11 位串行命令命令字, 并轉換成不歸零碼傳送到儀器總線上。相應地址的儀器響應遙測短節發送的地址,送出 2 個字節的數據, 并通過遙測短節轉換成雙極性歸偏碼, 驅動放大后傳送到地面儀器 。

3 、儀器信號處理和通訊電路分析：
 **新設計的流量計主要由光電總成 、信號處理電路和數據通訊電路三部分組成。信號處理電路原理圖如圖 2 所示 。渦輪轉動一圈, T4 端產生 8 個脈沖, 渦輪轉動方向用 CW/CCW(順時針/逆時針)T5 端點的高低 電平表示 。T4 端的脈沖信號和T 5端CW /CCW 方向輸出的信號都送到了通訊 A1 板。在 A1 板上渦輪方向CW/CCW 連到U3(MC14469)的 S7 腳 ,也就是說遙測短節發送的流量計數據, ***高有效位代表渦輪方向 。本流量計渦輪轉動一圈 ,電子線路輸出 8 個脈沖,并具有方向判別功能。
  板上端點 T6 、T8 的信號來自光學部分總成的兩道相差 90°的方波 。該信號經施密特觸發器U1 整形后, 通過四個微分電路分別送到了雙 D 觸發器U2 、U3 的置位和復位端。U2 、U3 的輸出經過另外四個微分電路后 , 由 U4 分別進行整形。當U1 -3 的輸出呈現一個上升沿時 , U2 B -Q 被清零 , 于是 U2 B -Q 輸出變為低電平 , C5 開始通過 R 8 充電。起初,U4 輸入端 1 、2 電壓較低, 輸出端 3 為高電平, 隨著 C5充電過程不斷進行 ,U4 -1 、2 腳電壓逐漸上升,當達到 U4 的觸發電壓時 ,U4 輸出迅速反轉為低電平 。

  因此U1 -3 每輸出一個上升沿,U1 -3 就 出現一個正脈沖 。同樣 ,U1 -3 每產生一個下降沿 ,U4 -11就輸出一個正脈沖;同理,U1 -4 每產生一個上升沿和下降沿 ,就分別在 U4 -4 和U4 -10 輸出一個正脈沖。U4 的四個輸出由 CR1 –CR4 或在一起 。
  所以 , 對應于 U1 -3 和U1 -4 輸出的每一個上升沿和下降沿, 端點T4 都有一個正脈沖出現 。又因為渦輪每旋轉一周,U1 -3 和 U1 -4 都變化兩個周期 , 各有四個上升 、下降沿, 故渦輪每轉一周 ,板上端點T4 有 8 個脈沖輸出。
  U2 -1 用于鑒別渦輪轉向 , 當渦輪順時針方向轉動時 ,U1 -3 超前 U1 -4 π/ 2 , U 2 時鐘(即 U 1 -4)的上升沿對應的(U1 -3)輸入方波的高電平部分, 所以 U2 -1輸出為“1” ;當渦輪逆時針方向旋轉時,U4 -3 滯后   U4-4 π/2 , U2 時鐘的上升沿對應U1 -3 輸入方波的低電平部分,因此 U2 -1 輸出為“0” 。即, 當渦輪順時針旋轉時 ,板上端點 T5 輸出高電平, 當渦輪逆時針旋轉時 ,端點 T5 輸出低電平 。
由于 CS400C 測井系統通訊的特殊性 , 我們按照CS400C 的信號格式重新設計了通訊電路 , 成功地實現了地面系統和井下儀器的通訊配接。改造后的通訊電路原理圖如圖 3 所示。主要由穩壓電源 、信號檢波驅動電路 、時鐘電路 、計數器電路 、數據鎖存電路 、清零鎖存時鐘信號產生電路 、可編程分頻電路和通用異步串行通訊電路部分組成 。

圖 3 　通訊電路原理圖
  圖 3 中 , 穩壓電源、信號檢波放大、驅動電路由Q1 、D 1 、V R1 、C 2 、R 3 組成 +12 V 穩壓電源 , 給通訊板提供電源 ;Q2 、R4組成信號驅動電路 , R4可調節輸出信號脈沖幅度。Q4 、C1、R1、R2、R10組成信號檢波放大電路 , 反相放大后的信號送到MC14469 進行接收。時鐘電路由 U1 :A 、U1 :B 、U2 組成時鐘電路, 分別為不同的 電 路 提 供 工 作 時 鐘。 計 數 器 電 路 由 U6(CD4040)、U7(CD4040)組成 16 位計數器。時鐘信號由 U4 -13 腳提供, 復位清零信號由 U5 -1 腳產生。數據鎖存電路由 U8 、U9 、U10 三個 6 位數據鎖存器構成一個 16 位數據鎖存器 , 鎖存時鐘由 U5 -10 腳產生 。U5(4017)為計數器清零、鎖存器時鐘信號產生電路 。當渦輪轉動時, 標志轉速的 T4 端脈沖信號送到U5 的復位端 , 在 U5 -14 腳時鐘(2 .457 6 MHz)的作用下 ,當第 5 個脈沖到來時 U5 -12(CO)腳輸出低電平到 U4 -7(CLKINH), 使 U5 禁止時鐘輸出 。同時, U5-10(Q4)輸出正脈沖到 3 個數據鎖存器的時鐘端, 使鎖存器產生數據鎖存 ;當第 6 個脈沖到來時, U5 -1(Q5)輸出正脈沖使計數器清零 。之后計數器重新開始計數[ 2]。MC14566 集成電路是16 位或 24 位二進制可編程定時/分頻器, 由 U4 -6 腳 8BYP 端控制, 高電平為 16 位, 低電平為 24 位 。A 、B 、C 、D 端口為編程控制段,共 16 種狀態, 也就是說, 根據A 、B 、C 、D 端口的狀態可以產生 216 個分頻值, 從U4 -13 腳(DOUT)輸出 ,為計數器提供時鐘信號 ,作為脈沖周期測量的基準時鐘。MC14469 是通用異步串行數據通訊接口電路[ 3],它完成串行地址命令的接收、地址的判別及數據的發送工作 。

4、結束語：
  儀器改造完成后 ,首先在于地面儀進行現場配接,開始地面能夠接收到數據但誤碼較多 , 經認真分析和調整電路后 , 問題得到解決 。原因是 CS400C 系統儀器總線要求地址命令信號幅度為 5 V , 數據信號的幅度為 2 .5 V 。如果數據信號幅度高于 2 .5 V ,那么通訊電路不能將地址、命令和數據信號區分開, 造成誤判,出現誤碼 。通過 5 口井的現場測井試驗 ,數據傳輸穩定 ,儀器工作可靠 ,資料符合要求。